Science Advances | 乔红团队揭示乙烯通路介导的组蛋白乙酰化中的代谢调控机制

责编 | 王一

基因表达的表观遗传调控在各种植物发育过程中和逆境响应中起关键作用。组蛋白乙酰化通过中和组蛋白中赖氨酸残基的正电荷，促进包裹的DNA和组蛋白八聚体之间的核小体松弛，这对所有基于DNA的过程（包括DNA复制和基因转录）至关重要。组蛋白乙酰转移酶（HATs）将乙酰基从乙酰辅酶A（乙酰CoA）转移到组蛋白N末端尾上的保守赖氨酸残基以乙酰化组蛋白。乙烯通过控制转录重编程在植物发育、生长和防御反应中发挥其重要作用，其中EIN2-C指导的组蛋白乙酰化调控是染色质感知乙烯信号的第一关键步骤。然而，如何产生核乙酰辅酶A（乙酰CoA）以确保乙烯介导的组蛋白乙酰化尚不清楚。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（the University of Texas at Austin）Hong Qiao（乔红）研究团队在Science Advances上发表了题为Nuclear pyruvate dehydrogenase complex regulates histone acetylation and transcriptional regulation in the ethylene response的研究论文，揭示了细胞核内丙酮酸脱氢酶复合物对植物激素乙烯下游组蛋白乙酰化过程中的重要影响。

该研究发现，功能性丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）在乙烯存在时可以从线粒体转移到细胞核，从丙酮酸生成核乙酰CoA以用于乙烯反应中的EIN2指导的核心组蛋白乙酰化的转录调控。在乙烯存在时，PDC复合物转移到细胞核，与EIN2-C相互作用。PDC的突变导致在遗传和转录水平上对乙烯反应的降低。ChIP-seq分析显示，在PDC突变体中，乙烯诱导的组蛋白乙酰化水平下降。结合液相色谱与质谱（LC-MS）的生化分析表明，PDC调节核乙酰CoA浓度，乙烯诱导的核转移PDC在细胞核中具有酶活性，可生成乙酰CoA用于组蛋白乙酰化，这对于EIN2-C在组蛋白乙酰化调控中的功能是必要的。遗传学和分子证据均表明，在乙烯反应中，EIN2-C对于PDC的核转移是必需的。因此，该研究揭示了一种以前未识别的机制，即PDC复合物转移到细胞核，在那里它与EIN2-C相互作用，提供乙酰CoA以提高H3K14和H3K23的组蛋白乙酰化，从而调节乙烯反应中的转录调控。

这项研究在多个方面具有重要意义：

1）揭示了乙烯信号传导的新机制：通过发现PDC在乙烯存在下从线粒体转移到细胞核，并生成核乙酰辅酶A（乙酰CoA），研究阐明了乙烯信号传导中的一个关键步骤。这一过程对于乙烯介导的组蛋白乙酰化和转录调控至关重要，丰富了对乙烯信号传导途径的理解。

2) 拓展了乙酰CoA在细胞核中的功能：研究表明，PDC在细胞核中生成乙酰CoA，并直接参与组蛋白乙酰化，这一发现拓展了对乙酰CoA在细胞核中功能的认识，尤其是在表观遗传调控方面。

3) 揭示了表观遗传调控与激素响应的联系：研究证明，核乙酰CoA的生成对于EIN2-C指导的组蛋白乙酰化和转录激活至关重要，从而将表观遗传调控机制与植物激素响应联系起来。这为理解植物激素如何通过表观遗传机制调控基因表达提供了新思路。

4) 提供了新的研究方向和应用潜力：这一发现不仅有助于深入研究植物激素信号传导和表观遗传调控，还可能为农业生产中利用乙烯调控植物生长和抗逆性提供新的策略。例如，通过调控PDC的核定位和乙酰CoA生成，可以优化乙烯信号传导，提高植物的生长和抗逆性。

5) 强调了PDC在细胞核中的重要性：PDC的核定位及其功能的发现，填补了关于核内代谢活动如何影响基因表达和细胞功能的知识空白。这一发现可能在其他生物学领域也具有广泛的应用价值，如理解细胞周期调控、发育过程和环境响应等。

综上，该研究揭示了乙烯通过PDC在细胞核中生成乙酰CoA以调控组蛋白乙酰化和转录的机制，为理解植物激素信号传导和表观遗传调控提供了新的视角，并具有重要的理论和应用价值。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校教授Hong Qiao为本文通讯作者；博士毕业生Zhengyao Shao为本文的第一作者。得克萨斯大学阿灵顿分校Dr. Liangqiao Bian，加州大学圣地亚哥分校Dr. Zhouxin Shen以及Dr. Steven P. Briggs, 斯坦福卡内基科学研究所Dr. Yang Bi (现就职于香港浸会大学), Dr. Shou-Ling Xu, 以及Dr. Zhi-Yong Wang对本研究提供了重要帮助。

http://doi.org/10.1126/sciadv.ado2825